CN206999763U - 一种耐高温纤维复合碳气凝胶保温板 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及工业保温材料技术领域，具体涉及一种耐高温纤维复合碳气凝胶保温板。其特征在于由而下依次为上表面高温热防护层(1)、纤维复合碳气凝胶芯层(2)和下表面高温热防护层(3)；并采用缝合或耐高温粘结剂或两者结合的方式，再通过热压整体成型。其中纤维复合碳气凝胶芯层(2)采用耐高温的无机纤维材料与纳米碳气凝胶复合而成。由于采用上述技术方案，本实用新型不仅具有显著的保温隔热效果，而且保温板具有抗压强度高、高温结构性能稳定、使用周期长等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种耐高温纤维复合碳气凝胶保温板，该材料具有耐高温、抗压强度高、保温性能好及热稳定性高等诸多优点，属于工业保温材料技术领域。
背景技术
我国在钢铁冶金、太阳能光伏、电力系统等高能耗行业的能源利用率较低，主要是由于目前所用的传统隔热材料的隔热保温性能较差，如无机纤维毡、多孔陶瓷板、氧化铝耐火砖等材料，尤其是高温1000℃以上的隔热保温效果明显下降，其热导率大于0.5W/(m·K)，导致了能耗大，设备更换、维修频繁，生产成本增加，环境污染严重。
纤维复合气凝胶隔热材料是一种新型的高效节能隔热保温材料，以不同性能的纤维作为结构增强材料，采用溶胶-凝胶法将气凝胶的前驱体溶胶与纤维进行复合，再经过干燥和热处理过程得到的，目前市场上主要以硅基气凝胶复合材料为主，其密度低、孔隙率高、热导率极低，是目前隔热效果最佳的材料，但也存在几个明显缺陷：(1)气凝胶复合的无机纤维载体的限制，通常采用的无机纤维为玻璃纤维，所以其复合材料的使用温度一般不超过650℃；(2)气凝胶属于纳米结构材料，本身密度极低、易粉化，很容易从无机纤维的大孔结构中脱落造成保温性能下降，导致整个气凝胶纤维复合材料结构不均匀；(3)气凝胶原材料及生产成本高，价格是传统保温材料的5-10倍。
发明内容
本实用新型的目的在于针对解决现有技术中的上述不足，引入耐高温碳气凝胶替代耐温性较低的硅基气凝胶，在保持气凝胶材料优良保温性能的同时，采用新型的复合技术，从而提供一种耐高温纤维复合碳气凝胶保温板。
本实用新型是采用以下技术方案实现的：
一种耐高温纤维复合碳气凝胶保温板，其特征在于由而下依次为上表面高温热防护层1、纤维复合碳气凝胶芯层2和下表面高温热防护层3。
优选上述的上表面高温热防护层1和下表面高温热防护层3的厚度均为0.5mm～2.0mm，长度均为1000mm～1600mm，宽度均为500mm～1600mm。
优选上述的纤维复合碳气凝胶芯层2的厚度为100mm～500mm，长度为1000mm～1600mm，宽度为500mm～1600mm。
优选上述的纤维复合碳气凝胶芯层2的孔隙率为80～90％，平均孔径大小为100nm～300nm，比表面积为500～600m2/g，抗压强度为1.0MPa～2.0MPa。
优选上述的纤维复合碳气凝胶芯层2中的纤维为陶瓷纤维材料、碳纤维材料或石棉纤维材料中的一种或者任何几种的组合。
上述纤维复合碳气凝胶芯层是通过常规的溶胶-凝胶法将纤维预制件与碳气凝胶溶液进行复合，经常压干燥，再进行高温热处理而成。
优选上述的上表面高温热防护层1和下表面高温热防护层3均为碳纤维布、碳纤维纸、石墨纸或石墨纤维布材料中的一种或者任何几种的组合。
上述的上表面高温热防护层与纤维复合碳气凝胶芯层的一侧、下表面高温热防护层与纤维复合碳气凝胶芯层的另一侧之间的连接方式采用缝合或耐高温粘结剂或两者结合的方式，再通过热压整体成型。
有益效果：
与现有技术相比较，本实用新型以耐高温碳气凝胶替代耐温性较低的硅基气凝胶，无机纤维采用是耐高温的陶瓷纤维、碳纤维、石棉纤维等，该气凝胶复合材料能够在高温800-1600℃的无氧环境下长期使用，目前还没有相关消息报道。相比纤维复合硅基气凝胶隔热材料，本实用新型材料的耐温性得到大大提升，可达到1600℃及以上；与传统的岩棉、硅酸铝纤维、普通碳毡、C-C复合保温毡相比，热导率大大降低，常温热导率仅为0.04-0.05W/(m·K)，保温性能是岩棉、硅酸铝纤维等材料的5-8倍，是碳毡、C-C复合保温毡的3-5倍。目前市面上的气凝胶毡隔热保温材料表面无保护层，纳米气凝胶颗粒很容易从基材纤维的大孔结构中脱落，本技术方案在纤维复合碳气凝胶芯层内外两面设计了保护层，既可以防止纳米气凝胶的脱落，又可以起到高温热反射的作用，同时配合缝合和高温粘合剂热压成型技术，可以保证该复合材料具有高的抗压强度和良好的机械加工性能。该复合材料制备工艺简单且成本低，与SiO2气凝胶隔热毡相比，本实用新型采用了常温、常压的干燥方法取代了高压、高能耗的CO2超临界干燥法，既降低了生产成本，又减少了生产过程中的危险性，并可实现连续化作业，工作效率大大提高。另外，本实用新型产品有望替代国外进口高温隔热保温材料，且价格较低。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2为图1A-A线剖面图，其中1为上表面高温热防护层；2为纤维复合碳气凝胶芯层；3为下表面高温热防护层。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本实用新型做进一步详细的描述。应理解，下面的实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。
实施例1
如图1、图2所示，本实施例提供一种耐高温纤维复合碳气凝胶保温板，该复合材料从上而下依次为上表面高温热防护层1、纤维复合碳气凝胶芯层2、下表面高温热防护层3叠加组合而成。其中上表面高温热防护层1和下表面高温热防护层3与碳纤维复合碳气凝胶芯层2之间的连接采用耐高温粘结剂结合热压技术整体成型。
本实施例中所述石墨纸由湖北恒达石墨股份有限公司生产，碳纤维等由湖南博盛天弘新材料技术有限公司生产，高温粘结剂由成都天道化工技术有限公司提供，碳纤维复合碳气凝胶芯层由宿迁安吉奥科技有限公司生产。
所述上表面高温热防护层1为石墨纸，厚度为0.5mm，长度为1000mm，宽度为500mm。
所述下表面高温热防护层3为石墨纸，厚度为0.5mm，长度为1000mm，宽度为500mm。
所述纤维复合碳气凝胶芯层2是通过溶胶-凝胶法将碳气凝胶溶液与碳纤维预制件进行复合，经常压干燥、碳化，再进行高温1600℃及以上热处理制成，其中孔隙率约为90％、平均孔径大小约为200nm，比表面积约为550m2/g，抗压强度约为1.0MPa，厚度为100mm，长度为1000mm，宽度为500mm。
上述碳纤维复合碳气凝胶芯层2的设计是将耐高温碳纤维毡与纳米多孔碳气凝胶进行了完美的结合，形成了综合性能的互补和优化，既改善了单纯无机纤维毡保温性能差的特性，又解决了纳米气凝胶易碎、成型困难的难题，得到了保温性能优、可加工性能好、实用性更强等综合性能更好的耐高温碳纤维复合碳气凝胶隔热保温材料。
上述上表面高温热防护层1和下表面高温热防护层3与碳纤维复合碳气凝胶芯层2之间的连接采用耐高温粘结剂结合热压技术整体成型的设计具有以下优点：1、石墨纸表面光滑平整，可以增加高温时的热反射作用，大幅度降低热量损失，提高高温效果；2、解决了纳米气凝胶颗粒从纤维毡的大孔结构中的脱落现象；3、使得该复合材料的外观设计平整、美观。
本实用新型外观为保温板，可用于高温工作环境中的单/多晶硅铸锭炉、石墨炉、感应炉、高温气氛热处理炉等多个高温隔热保温领域，节能效果明显，本实用新型在制作时，可以采用下述尺寸，以便包装、装箱及运输。
经过测试本实施例制备的耐高温纤维复合碳气凝胶保温板材料的基本性能如下:
| 指标 | 导热系数 | 使用温度 |
| 1 | 0.085W/(m·K) | 800℃ |
| 2 | 0.128W/(m·K) | 1000℃ |
| 3 | 0.214W/(m·K) | 1300℃ |
| 4 | 0.326W/(m·K) | 1600℃ |
实施例2
如图1、图2所示，本实施例提供一种耐高温纤维复合碳气凝胶保温板，该复合材料由上表面高温热防护层1、纤维复合碳气凝胶芯层2、下表面高温热防护层3依次叠加组合而成。本实施例中所述碳纤维布由上海力硕复合材料科技有限公司生产，陶瓷纤维由无锡市鲁阳耐火保温材料有限公司生产，陶瓷纤维复合碳气凝胶芯层由宿迁安吉奥科技有限公司生产。
所述上表面高温热防护层为碳纤维布，厚度为1.0mm，长度为1200mm，宽度为600mm。
所述下表面高温热防护层为碳纤维布，厚度为1.0mm，长度为1200mm，宽度为600mm。
所述纤维复合碳气凝胶芯层2是通过溶胶-凝胶法将碳气凝胶溶液与陶瓷纤维预制件进行复合，经常压干燥、碳化，再进行高温1600℃及以上热处理制成，其中孔隙率约为80％、平均孔径大小约为300nm，比表面积约为500m2/g，抗压强度约为1.5MPa，厚度为200mm，长度为1200mm，宽度为600mm。
所述上表面高温热防护层1和下表面高温热防护层3与陶瓷纤维复合碳气凝胶芯层2之间的连接采用缝合技术再热压成型。
上述陶瓷纤维复合碳气凝胶芯层2的设计是将耐高温陶瓷纤维与纳米多孔碳气凝胶进行了完美的结合，形成了综合性能的互补和优化，既改善了单纯无机纤维毡保温性能差的特性，又解决了纳米气凝胶易碎、成型困难的难题，得到了保温性能优、可加工性能好、实用性更强等综合性能更好的耐高温陶瓷纤维复合碳气凝胶隔热保温材料。
上述上表面高温热防护层1和下表面高温热防护层3与陶瓷纤维复合碳气凝胶芯层2之间的连接采用缝合技术的设计具有以下优点：1、碳纤维布拉伸强度高，可以大大降低陶瓷纤维毡的高温工作变形，提升了整体结构的高温热稳定性，使用周期更长；2、解决了纳米气凝胶颗粒从陶瓷纤维的大孔结构中的脱落现象；3、使得该复合材料的外观设计平整、美观。
本实用新型外观为保温板，可用于高温工作环境中的单/多晶硅铸锭炉、高温电炉、玻璃窑炉、高温热处理炉等多个高温隔热保温领域，节能效果明显，本实用新型在制作时，可以采用下述尺寸，以便包装、装箱及运输。
经过测试本实施例制备的耐高温纤维复合碳气凝胶保温板材料的基本性能如下:
| 指标 | 导热系数 | 使用温度 |
| 1 | 0.091W/(m·K) | 800℃ |
| 2 | 0.137W/(m·K) | 1000℃ |
| 3 | 0.228W/(m·K) | 1300℃ |
| 4 | 0.353W/(m·K) | 1600℃ |
实施例3
如图1、图2所示，本实施例提供一种耐高温纤维复合碳气凝胶保温板，该复合材料由上表面高温热防护层1、纤维复合碳气凝胶芯层2、下表面高温热防护层3依次叠加组合而成。本实施例中所述碳纤维布由上海力硕复合材料科技有限公司生产，石墨纸由湖北恒达石墨股份有限公司生产，碳纤维等由湖南博盛天弘新材料技术有限公司生产，高温粘结剂由成都天道化工技术有限公司提供，碳纤维复合碳气凝胶芯层由宿迁安吉奥科技有限公司生产。
所述上表面高温热防护层为石墨纸与碳纤维布的组合，厚度为2.0mm，长度为1600mm，宽度为1600mm。
所述下表面高温热防护层为碳纤维布与石墨纸的组合，厚度为2.0mm，长度为1600mm，宽度为1600mm。
所述纤维复合碳气凝胶芯层2是通过溶胶-凝胶法将碳气凝胶溶液与碳纤维预制件进行复合，经常压干燥、碳化，再进行高温1600℃及以上热处理制成，其中孔隙率约为88％、平均孔径大小约为100nm，比表面积约为600m2/g，抗压强度约为2.0MPa，厚度为500mm，长度为1600mm，宽度为1600mm。
所述上表面高温热防护层1和下表面高温热防护层3与碳纤维复合碳气凝胶芯层2之间的连接兼用缝合和耐高温粘结剂的组合方式及热压技术整体成型。
上述碳纤维复合碳气凝胶芯层2的设计是将耐高温碳纤维毡与纳米多孔碳气凝胶进行了完美的结合，形成了综合性能的互补和优化，既改善了单纯无机纤维毡保温性能差的特性，又解决了纳米气凝胶易碎、成型困难的难题，得到了保温性能优、可加工性能好、实用性更强等综合性能更好的耐高温碳纤维复合碳气凝胶隔热保温材料。
上述上表面高温热防护层1和下表面高温热防护层3与碳纤维复合碳气凝胶芯层2之间的连接兼用缝合和耐高温粘结剂的组合方式及热压技术整体成型的设计具有以下优点：1、石墨纸表面光滑平整，可以增加高温时的热反射作用，大幅度降低热量损失，提高高温效果；2、碳纤维布拉伸强度高，可以大大降低碳纤维毡的高温工作变形，提升了整体结构的高温热稳定性，使用周期更长；3、解决了纳米气凝胶颗粒从纤维毡的大孔结构中的脱落现象；4、使得该复合材料的外观设计平整、美观。
本实用新型外观为保温板，可用于高温工作环境中的单/多晶硅铸锭炉、石墨炉、感应炉、高温气氛热处理炉等多个高温隔热保温领域，节能效果明显，本实用新型在制作时，可以采用下述尺寸，以便包装、装箱及运输。
经过测试本实施例制备的耐高温纤维复合碳气凝胶保温板材料的基本性能如下:
| 指标 | 导热系数 | 使用温度 |
| 1 | 0.089W/(m·K) | 800℃ |
| 2 | 0.135W/(m·K) | 1000℃ |
| 3 | 0.227W/(m·K) | 1300℃ |
| 4 | 0.333W/(m·K) | 1600℃ |
以上仅仅是对本实用新型的较佳实施例进行的详细说明，但是本实用新型并不限于以上实施例。应该理解的是，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员做出的各种修改，仍属于本实用新型的专利权范围。
Claims (5)
1.一种耐高温纤维复合碳气凝胶保温板，其特征在于由而下依次为上表面高温热防护层(1)、纤维复合碳气凝胶芯层(2)和下表面高温热防护层(3)；其中所述的纤维复合碳气凝胶芯层(2)中的纤维为碳纤维材料。
2.根据权利要求1所述的耐高温纤维复合碳气凝胶保温板，其特征在于所述的上表面高温热防护层(1)和下表面高温热防护层(3)的厚度均为0.5mm～2.0mm，长度均为1000mm～1600mm，宽度均为500mm～1600mm。
3.根据权利要求1所述的耐高温纤维复合碳气凝胶保温板，其特征在于所述的纤维复合碳气凝胶芯层(2)的厚度为100mm～500mm，长度为1000mm～1600mm，宽度为500mm～1600mm。
4.根据权利要求1所述的耐高温纤维复合碳气凝胶保温板，其特征在于所述的纤维复合碳气凝胶芯层(2)的孔隙率为80～90％，平均孔径大小为100nm～300nm，比表面积为500～600m2/g，抗压强度为1.0MPa～2.0MPa。
5.根据权利要求1所述的耐高温纤维复合碳气凝胶保温板，其特征在于所述的上表面高温热防护层(1)和下表面高温热防护层(3)均为碳纤维布、碳纤维纸、石墨纸或石墨纤维布材料中的一种或者任何几种的组合。
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